利用近缘种属优良基因改良小麦研究进展

贾子苗 邱玉亮 ，2 林志珊 王 轲 叶兴国

（1中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京；2山西农业大学棉花研究所，044000，山西运城）

小麦是全世界的主要粮食作物之一，对人类营养健康和社会经济发展至关重要。20世纪80年代以来，为了增加小麦产量和防治病虫危害，生产过程中大量施用化肥和农药[1]，不但造成了小麦籽粒中农药的残留，也导致了环境污染和土壤流失，加深了人们对粮食安全和环境安全等问题的担忧，因此迫切需要培育具有抗病和营养高效等优良性状的小麦品种[2]。叶锈病、条锈病、赤霉病和白粉病等是影响小麦产量的主要病害，这些病害的病原菌变异快，受外界环境的影响不断进化产生新的致病小种。另外，在长期的小麦选择育种过程中，部分突出优良基因被选择的同时，一些未被挖掘利用的基因遭到淘汰，致使小麦的遗传背景逐渐单一。然而，小麦育种工作在很大程度上依赖于初级基因库内遗传变异的开发，一旦新变异的供应耗尽，会显著降低小麦育种的效率[3]。利用小麦近缘次级基因库开展远缘杂交和染色体工程育种，可打破这一育种瓶颈。异源引入是小麦遗传改良的重要来源，近缘种属中已有多个优良外源基因引入小麦遗传背景中，培育了抗病、高产和优质的小麦品种，并在生产中广泛利用。

1 小麦主要近缘种属及其蕴含的优良性状

小麦一级基因库指具有小麦全部基因组（AABBDD）的六倍体普通小麦种及其亚种，包括原始品种、各类育成的推广品种、地方品种和国外引进品种。它们在育种过程中更容易被利用，一般通过有性杂交介导的基因重组方法就可以将各种优良基因聚集并加以利用。小麦的二级基因库指具有小麦1～2个基因组，如具有AABB染色体组的四倍体栽培种和野生种，以及只具有A、B和D染色体组其中之一的二倍体种，如一粒小麦、拟斯卑尔脱山羊草和节节麦等。小麦的三级基因库是小麦族内除上述一级基因库和二级基因库以外的近缘种属，他们对小麦的多种病虫害具有抗性，且抗逆能力强，是解决当前小麦育种问题的最佳材料，包括山羊草属、冰草属、偃麦草属、黑麦、滨麦、簇毛麦和大麦等。

1.1 山羊草属内的部分重要植物

山羊草属（AegilopsL.）是与小麦亲缘关系最近的野生植物，有超过20个种，既有二倍体种，也有四倍体和六倍体种。染色体组包括S、U、D、C和M等多种类型[4]，染色体基数与麦类作物及其野生种一致。其中，高大山羊草（AegilopslongissimaL.，2n=2x=14，SlSl）是小麦族山羊草属的二倍体物种，含有许多优良基因，对于改良小麦的遗传性状具有潜在的应用价值。如高大山羊草3Sl染色体上存在抗白粉病基因Pm13，已在小麦抗病育种中得到了应用，并已克隆了该基因[4]；在小麦的遗传背景下，1Sl染色体对于干旱胁迫具有很强的抗性[5]，从1Sl染色体上已经克隆了2个优质的高分子量麦谷蛋白亚基（high molecular weight glutenin subunit，HMW-GS）（1Sx2.3和1Sy16）和1个低分子量麦谷蛋白亚基（low molecular weight glutenin subunit，LMW-GS）（1SlLMW-s）[6]编码基因。拟斯卑尔脱山羊草（AegilopsspeltoidesTausch，2n=2x=14，SS）是四倍体与六倍体小麦B染色体组供体，其抗白粉病基因Pm12、Pm32和Pm53已经导入小麦6B、1B和5B[7-9]染色体上。卵穗山羊草（Aegilops geniculataL.，2n=4x=28，UUMM）株高10～30cm，穗长1.2～1.8cm，有非常密集的穗状花序，每穗小穗少于4个，在南欧和爱琴海广泛分布，在中东地区也有分布。卵穗山羊草对锈病以及白粉病高抗或免疫，其含有抗叶锈病基因Lr57、抗条锈病基因Yr40[10]和抗白粉病基因Pm29[11]。此外，卵穗山羊草还具有抗长管蚜基因和杀配子基因，是改良小麦生物胁迫抗性的重要基因资源。偏凸山羊草（AegilopsventricosaTausch，2n=4x=28，DDMvMv）是小麦根腐病、眼斑病、条锈病、叶锈病和白粉病的抗源，可与小麦杂交，回交后代可育[12]。

1.2 冰草属内的部分重要植物

冰草 [Agropyroncristatum（L.）Gaertn.]为冰草属比较典型的一个种，其基因组倍性水平多样，包括二倍体（2n=2x=14，PP）、四倍体（2n=4x=28，PPPP）和六倍体（2n=6x=42，PPPPPP）[13]。其中，二倍体分布比较零散，四倍体分布最为广泛，六倍体只在其发源地有分布。冰草属植物均是多年生异花授粉。冰草的生物学性状表现为：根系密生、发达，茎秆直立且基部呈膝状弯曲，株高60cm左右，茎分2～3节，穗下茎占株高比例较大；穗状花序顶生，每穗花序有30～50个小穗，每个小穗的小花数最多可达11朵，外稃有刚毛；旗叶窄小，持绿时间长；花期为每年的6-7月。冰草属植物是优质的天然牧草，多在北半球高纬度地区的草原和沙漠边陲分布，具有抗旱、抗寒和抗盐碱等特性[14]，同时对小麦白粉病、叶锈病、条锈病和秆锈病等多种病害具有较强抗性。另外，冰草植物具有优异的穗部性状，如多花多粒。因此，通过远缘杂交的方法，把冰草中优异基因导入小麦具有十分广泛的应用前景。

1.3 偃麦草属内的部分重要植物

中间偃麦草[Thinopyrumintermedium（Host）Beauv.，2n=6x=42，E1E1E2E2StSt]又名天蓝冰草，属于小麦亚族中强冬性、长日照且多年生的六倍体野生草本植物，是小麦遗传改良中应用较多且最为成功的野生近缘种之一。其根茎发达，秆直立，粗壮，株高70～130cm，再生能力突出[15]；抗寒性强，在我国东北大部分地区都可以安全越冬；抗旱性强，在降水量较少的山区也能够正常生长；抗盐碱性能较好，可在轻、中度盐碱化的土壤中生长。中间偃麦草具有很强的适应性和多年生性，其茎和叶中含有丰富的粗蛋白、粗纤维和粗脂肪等多种化学成分，是牧区的一种优良牧草。另外，它对小麦的叶锈病、条锈病、秆锈病和白粉病等免疫，对腥黑穗病、叶枯病、根腐病和条纹花叶病等高抗，是大麦黄矮病的良好抗源。中间偃麦草含有2个亲缘关系相近且与小麦具有一定同源性的染色体组，能与小麦杂交。因此，该物种已成为小麦遗传改良中具有重要利用价值的宝贵遗传资源。

长穗偃麦草（Thinopyrumelongatum）包括3种类型：二倍体长穗偃麦草（2n=2x=14，EE）、四倍体长穗偃麦草（2n=4x=28，EEEE）和十倍体长穗偃麦草（2n=10x=70，EEEEEEStStStSt）[12]。其中，含有E基因组的二倍体长穗偃麦草是多倍体偃麦草E基因组的原始供体种[16]，相比于St基因组，长穗偃麦草的E基因组与小麦D基因组的亲缘关系最近[17]。长穗偃麦草属具有生长繁茂、抗旱、耐寒、耐盐碱、多花和大穗等许多优良性状（图1a），对小麦叶锈病、秆锈病、腥黑穗病和条纹花叶病免疫，对条锈病免疫到高抗[12]。已有研究表明，长穗偃麦草7E染色体携带抗叶锈病基因Lr19、秆锈病基因Sr25、赤霉病基因Qfhs.pur-7EL以及面粉黄色素基因等[18]。长穗偃麦草与普通小麦有较近的亲缘关系，与小麦杂交的衍生后代易于结实，因此在小麦远缘杂交育种中被广泛应用。

1.4 其他近缘种属植物

黑麦（SecalecerealeL.，2n=2x=14，RR）是小麦族内与普通小麦关系较近的近缘种（图1b），是小麦抗病、抗逆和高产育种的重要基因来源，尤其携带抗小麦白粉病、条锈病、秆锈病、叶锈病和纹枯病的理想基因[12]。例如，抗白粉病基因Pm8、抗条锈病基因Yr9、抗秆锈病基因Sr31和抗叶锈病基因Lr26都是从黑麦染色体1RS中衍生而来。另外，Pm17和Sr1RSAmico基因来自黑麦品种Insave的1RS染色体[19]。目前，1RS染色体上携带的这些抗性基因在小麦育种中得到了广泛应用。

华山新麦草（PsathrostachyshuashanicaKeng，2n=2x=14，NsNs）是我国特有的珍稀小麦野生亲缘物种，属于多年生异花授粉的草本植物，早熟，多花多粒，携带抗小麦条锈病、白粉病和全蚀病等多种病害的优良基因，对干旱、高温和寒冷等非生物逆境具有较好抗性，是开展小麦抗病、抗逆、耐瘠薄、早熟和高产育种的重要种质资源[20]。

滨麦 [Leymusmollis（Trin）Hara，2n=4x=28，NsNsXmXm]是小麦族大麦亚族赖草属的一个多年生异花授粉植物[21]，具有根系发达、茎秆粗壮、大穗多花、抗旱耐盐碱、抗多种细菌和真菌病害等优良特性。在滨麦基因组中，Ns基因组来自新麦草属，而Xm基因组的来源目前尚未确定。

簇毛麦（DasypyrumvillosumL.，2n=2x=14，VV）为一年生异花授粉植物（图1c），主要分布于地中海的东北部（从法国南部到里海）、亚洲西南部、俄罗斯和高加索地区，可以在恶劣和潮湿环境中生长[22]。簇毛麦对许多生物胁迫（如抗白粉、条锈、秆锈、小麦条状花叶病毒病和瘿螨等多种小麦主要病虫害）和非生物胁迫（如耐寒、耐盐和抗旱等）具有较强抗性，同时具有分蘖力强、生长繁茂、多小花和籽粒蛋白质含量高等农艺和生物学性状[23]。因此，簇毛麦受到小麦育种家的广泛关注，被看作是小麦遗传改良的潜在优良基因资源，具有很大的利用价值。到目前为止，已经收集了超过300份不同来源的簇毛麦种质资源[24]，其中5个来源的簇毛麦（分别命名为簇毛麦#1、簇毛麦#2、簇毛麦#3、簇毛麦#4和簇毛麦#5）中的部分优良基因已引入小麦遗传背景[25]。

大麦（HordeumvulgareL.，2n=2x=14，HH）具有早熟、多花多粒、抗盐碱、抗穗发芽和赖氨酸含量高等优良性状（图1d），适宜晚播，受干热风影响小，对小麦黄矮病、白粉病和锈病等表现较高抗性[26]。利用小麦与大麦远缘杂交技术可以将这些有益基因导入小麦，拓宽小麦遗传变异，进而培育出适应生产需要的优良小麦新品种[27]。20世纪70年代以来，国内外对小麦与大麦杂交进行了广泛研究，获得了一些小大麦杂种及其后代[28]。但是，随着小麦生产水平的提高，需要不断创制新的异附加系、异代换系和易位系，以满足不同地区小麦育种对种质资源的需要。

图1 普通小麦的几个近缘种属成株期Fig.1 Growth performance of several relative species of common wheat at adult stage

2 将优良外源基因引渗到小麦基因组中的主要技术及其特点

加强小麦次级基因库的挖掘，可以更好地将其中的优良基因应用于小麦育种工作中，扩大小麦可用遗传变异的来源。小麦是多倍体物种，具有很好的遗传缓冲性，容易接纳来自近缘种属的染色体。但是整条外源染色体的导入在转入近缘种属目标基因的同时，也转入了近源种属的不良基因，并缺失了小麦的部分基因，由于2个物种染色体间不能完全互补造成产量降低、品质变差和生长发育异常等问题[2]，所以，在小麦与近缘种属杂交培育附加系和代换系的基础上，进一步利用组织培养、Ph1b基因突变体、辐射诱变处理和杀配子等技术获得臂间易位系或小片段易位系是利用近缘种属优良基因的最佳方式。

在离体培养的植物细胞中，染色体对培养基中的化学成分比较敏感，容易发生断裂和结构变异。染色体变异的频率与培养时间有较大关系，需要对小麦愈伤组织进行多次继代培养诱导易位系。但培养时间太长会影响小麦愈伤组织的胚性，降低植株再生效率，一般继代培养以2～3次为宜。根据文献报道，组织培养诱导小麦无性系变异的频率仅为0.5%左右，需要大量获得再生植株[23]。利用组织培养产生染色体结构变异的特点，创制含有目标基因的染色体易位系材料，是将外源染色体上优良基因用于小麦育种的有效方法。然而，组织培养诱导的易位一般都是臂间易位，很难诱导染色体小片段易位。

小麦Ph1基因控制同源染色体在减数分裂中期的严格配对，抑制部分同源染色体和非同源染色体间的配对、交换和重组，保证小麦染色体的遗传稳定性和完整性，减少非整倍体的发生。欲将外源染色体片段引入小麦染色体组中，就需要打破小麦这种自身防御功能，使外源染色体可以与小麦中的部分同源染色体发生重组[29]。小麦ph1b突变体中的Ph1基因缺失，近缘种属的染色体能够与小麦中的部分同源染色体在减数分裂中期配对，进而发生交换和重组[30-31]，将外源染色体上的优良基因转移到小麦染色体上，但是，小麦ph1b突变体与携带外源染色体的代换系或附加系杂交后，Ph1位点的ph1b基因呈杂合状态，降低了ph1b基因的作用和部分同源染色体配对的效率，需要在杂交后代中选择ph1b纯合且含有单条外源染色体的个体，然后在其自交后代中筛选小片段易位系。

物理辐射如γ射线和X射线能够造成小麦染色体及其部分同源的外源染色体断裂，染色体修复后造成小麦染色体与外源染色体片段的重组，进而诱导小片段易位的发生。利用该方法诱导染色体随机断裂和重组效率较高[32]，已广泛应用于小麦染色体工程改良和相关分子生物学研究，如将冰草中的目标基因转入小麦中培育了多个小片段易位系[33]，创制了小麦-短穗金丝草代换系中染色体多样化重排材料[34]，构建了小麦-簇毛麦结构畸变文库[35]。辐射方法简单快速，但诱导易位系随机性高，容易引起非补偿性易位，丢失重要农艺性状，从而不利于育种应用。

杀配子染色体诱导小麦与外源片段易位的机理是该染色体可以促使异源附加系材料或代换系材料中的外源染色体产生断裂，进而在随机拼接的过程中发生易位或者缺失等染色体变异类型。目前，在柱穗山羊草[Aegilopscylindrica（Host），2n=4x=28，CCDD]、高大山羊草、沙融山羊草 （Aegilops sharonensisEig.，2n=2x=14，SS）、拟斯卑尔脱山羊草、离果山羊草（AegilopstriuncialisL.，2n=4x=28，UUCC）和卵穗山羊草等中发现了14种杀配子染色体，分属于不同的部分同源群，大部分分布在第二、三和四部分同源群上。另外，这些杀配子染色体分别属于不同的基因组，在C、S、S1和Mg基因组上分布较多[36]。通过杀配子染色体创制染色体结构变异不仅诱导效率高，而且能稳定遗传，该技术也是产生小麦与近缘植物染色体易位系的常用方法[37]。

3 利用外源种属优良基因对小麦的遗传改良

3.1 抗病性状改良易位系培育

近年来，白粉病、锈病和赤霉病等病害危害严重，不但降低了小麦产量，也影响了小麦籽粒品质。小麦白粉病菌属子囊菌亚门布氏白粉菌属真菌，专性寄生在小麦活体组织上。白粉病在小麦的整个生长期都会产生危害，其寄生后产生的吸器在渗入叶片的表皮细胞中吸取营养，影响小麦的光合作用和新陈代谢，严重时影响小穗数、穗粒数、千粒重和籽粒饱满度等产量性状。小麦赤霉病是一种危害全球小麦生产的真菌病害，与叶部病害不同，其直接发生在小麦花序上，这种感染直接降低了籽粒产量，还导致镰刀真菌产生的真菌毒素在籽粒中积累，对人类和牲畜的健康造成威胁，虽然通过育种手段已经一定程度地提高了小麦对赤霉病的抗性，但由于缺乏稳定高抗的理想抗源，育种成效没有充分显现[38]。小麦锈菌为气传真菌，严重危害小麦生长，在流行年份可造成小麦大幅度减产。尽管化学药剂能够控制白粉病、锈病和赤霉病等的发生程度，但过量使用农药会造成环境污染和有害物质残留，并导致病原菌产生抗性。因此，培育对上述病害高抗的小麦品种是经济环保的策略。

目前，许多近缘种属中的抗病基因已经转移到小麦基因组中（表1）。通过小麦和黑麦杂交创制了T1BL·1RS易位系，将1RS上的抗白粉病基因Pm8引入小麦中[39]，抗白粉病基因Pm17也来源于黑麦1RS染色体，后来证明两者为等位基因[40]。国内外利用T1BL·1RS易位系培育了众多小麦品种，在小麦生产中发挥了突出作用。通过四倍体硬粒小麦与簇毛麦杂交和染色体加倍获得硬簇双二倍体，然后利用硬簇双二倍体与小麦杂交及多次回交，结合白粉病抗性鉴定、细胞遗传学鉴定、分子标记鉴定和花药培养等技术，分别将源自簇毛麦#2和簇毛麦#4中6VS上的抗白粉基因Pm21及PmV引入了小麦，创制了T6AL·6VS易位系、T6DL·6VS易位系和部分小片段易位系[41]，这些易位系对目前所有的白粉病菌生理小种表现为免疫或高抗；进一步利用上述易位系培育了扬麦18、扬麦22、石麦14、兰天27、金禾9123和内麦836等小麦新品种，在生产上大面积推广种植。另外，在不同来源的簇毛麦中还定位到了抗白粉病基因Pm55、Pm62和Pm67。其中，Pm55位于簇毛麦5VS染色体上，表现为苗期感病，成株期叶片抗病，茎部和穗部感病；Pm62位于簇毛麦2VL染色体上，表现为苗期感病，成株期抗病；Pm67位于簇毛麦1VS染色体上，表现为苗期抗病，成株期叶鞘和穗部抗病，叶片轻度感病，属于组织差异类型的抗病基因。在创制硬簇双二倍体5V、2V和1V附加系及代换系的基础上，利用自发易位方式培育了农艺性状优良的抗白粉病易位系T5AL·5VS、T2BS·2VL和T1DL·1VS[24，42-43]。利用小麦与高大山羊草#7杂交并用小麦多代回交，后代中白粉病抗性鉴定结合4B和4Sl特异分子标记筛选，获得的携带Pm66基因的T4SlS·4BL易位系TA3465对Y02、Y03和Y15等16个白粉病菌小种具有抗性[44]。

表1 近缘种属抗病基因引入小麦情况Table 1 Summary for the introgression of disease resistance genes into wheat from its alien species

利用携带抗锈病基因的三芒山羊草与小麦杂交，抗病植株用小麦连续回交，育成了染色体附加系，发现附加的三芒山羊草染色体上携带抗锈病基因Lr62，其抗病表型明显与小麦基因组的显性互补基因有关，即在Lr62基因单独存在时不抗病，只有在这2个互补基因共同存在的情况下表现为抗病，对小麦锈菌的多个生理小种具有抗性。利用ph1b突变体进一步育成了染色体易位系03M119-71A，其中的外源染色体取代了6AS整臂和6AL近端部分。易位系03M119-71A除了携带Lr62外，还携带苗期抗条锈病基因Yr42[45]。利用小麦与华山新麦草杂交及多代回交，培育了一些染色体异附加系，进行了详细的细胞遗传学研究[46]。随后，培育了小麦-华山新麦草的中间材料H8911，该材料具有49条染色体；用H8911作供体，获得了13个小麦-华山新麦草抗全蚀病新种质，其中，1个附加系表现近高度抗病性，6个附加系、3个代换系和3个易位系材料表现出中度抗病性[47]。另外一项研究中发现，小麦-华山新麦草3Ns染色体单体附加系PW11及其衍生的二体附加系PW11-2、3Ns（1B）代换系PW11-5、3NsS·3BL末端小片段易位系PW11-8抗小麦条锈病菌小种CYR32[48]。利用小麦-华山新麦草杂交后染色体加倍的八倍体材料PHWSA（AABBDDNsNs）与小麦杂交，然后回交1次、自交5次，在BC1F5群体中获得了1个华山新麦草未知染色体小片段易位到小麦5DS染色体近着丝粒区域的易位系K-13-835-3，该易位系高抗小麦条锈病[49]。

Fhb6是从多年生披碱草中发现的抗赤霉病基因，利用小麦与多年生披碱草杂交和回交，获得了DA1Ets#1二体附加系，然后，利用ph1b突变体与附加系杂交，培育了T1AS·1Ets#1S易位系，其在田间条件下对赤霉病表现出一定抗性[50]。长穗偃麦草是小麦抗赤霉病育种最理想的抗源。利用小麦-长穗偃麦草7D/7E异代换系构建的作图群体，对长穗偃麦草中的抗赤霉病基因进行了精细定位。通过筛选BAC文库，构建抗病亲本物理图谱，将该基因锁定在245kb的物理区间内，并获得唯一表达的候选基因，功能注释为谷胱甘肽转移酶（Gluthanione S-transferase）；进一步通过BMSV诱导的基因沉默、创制TILLING突变体和转基因过表达技术等验证了该基因的功能，确认其为Fhb7。同时发现，Fhb7是从内生真菌水平转移到长穗偃麦草7el2L染色体上的抗赤霉病基因，目前培育了多个小麦-长穗偃麦草T7DS·7el2L易位系，对赤霉病表现出较好的抗性。由于易位系中长穗偃麦草7el2L染色体与较差的产量性状相关联，不利于易位系在育种中应用，进一步利用ph1b突变体与T7DS·7el2L易位系杂交，已经获得携带Fhb7抗赤霉病基因及农艺性状优良的小片段易位系，开发了跟踪检测小片段易位系的分子标记[51]。

3.2 产量性状改良易位系培育

小麦产量性状由多种因素决定，包括旗叶大小、株高、穗长、穗数，穗粒数和千粒重等，从近缘种属中引入相关基因也可以改变小麦上述部分产量性状，如将冰草6P、高大山羊草6S1#3、单芒山羊草4N、簇毛麦6V#3、大麦4H和7H等外源染色体转入小麦后增加了旗叶宽度；将滨草2Ns、西尔斯山羊草1SS#1、二芒羊草2Mbi#1、拟斯卑尔脱山羊草2Sg#3和粗穗披碱草1Ht等外源染色体引入小麦后降低了株高；将簇毛麦2V#3、粗穗披碱草5Ht、大麦4H、黑麦4R和长穗偃麦草3E等外源染色体引入小麦后增加了穗长；将纤毛披草碱属7SC和7YC等外源染色体引入小麦后增加了千粒重[83]。对华山新麦草未知染色体小片段与小麦5DS染色体近着丝粒区域的易位系K-13-835-3进行的农艺性状调查发现，K-13-835-3的穗粒数与亲本川麦16相比显著增加[49]。

黑麦是改良小麦产量性状、抗病性和抗逆性最为成功的近缘种，尤其是利用小麦与黑麦杂交培育的T1BL·1RS易位系为小麦增产做出了突出贡献[84]。在中国1980-2004年育成的小麦品种中，38%的品种含有T1BL·1RS易位染色体；在1960-2007年北方冬麦区育成小麦品种中，含有T1BL·1RS易位染色体的品种更是占到了42.6%。相比其他小麦品种，携带T1BL·1RS易位染色体的小麦品种表现出良好的稳产性和适应性，千粒重、单株穗数、穗粒数和籽粒产量增加，株高降低，生育期缩短[85-86]。

利用小麦与长穗偃麦草远缘杂交，在回交和自交后代中2个物种的染色体发生自然易位，育成了小偃6号等易位系品种。在小偃6号中，1A、2D、3B、4D和6A染色体上存在相互易位，还有2个尚未定位的臂间倒位，使得外源染色体片段所在的染色体臂无法确定，但发现1AL、2AS、5AS、6AS和7BS这5个染色体臂中至少有2个涉及外源染色体片段，复杂的遗传学背景赋予了小偃6号广泛的适应性[87]，另外，由于其具有矮秆、早熟、优质、分蘖能力强、叶片小而上举、功能期长、成穗率高（每亩穗数40万以上）、籽粒灌浆速度快、籽粒饱满和千粒重高等优点，20世纪80年代初开始推广，表现丰产稳产，种植面积逐年扩大，1985年已经在我国9个省种植，面积达1000万亩以上，至今仍然在生产中广泛应用。利用小偃6号作为亲本已经培育了多个衍生品种，其作为骨干亲本，已经培育了陕229、陕213、西农881和西农979等50多个小麦品种，其中，西农979已成为我国黄淮麦区优质高产、早熟、耐寒及兼抗赤霉病的主推小麦新品种。利用特异分子标记的鉴定结果表明，小偃6号和西农979携带十倍体长穗偃麦草7E染色体上的遗传物质[18]。

冰草与小麦亲缘关系较远，不利于将其中的优良性状引入到小麦中。研究者在亲本选配的基础上，将小麦与四倍体冰草杂交，然后采用化学试剂处理和杂种幼胚拯救等技术，获得了杂种植株，进一步通过回交和自交，创制了一系列小麦-冰草二体附加系、代换系和易位系[88]。为了更好地将冰草中的产量基因用于小麦育种，利用γ射线辐射涉及冰草6P染色体的小麦-冰草易位系，培育了Ti1AS-6PL-1AS·1AL小片段易位系，开发了多个跟踪检测6P染色体不同区段的分子标记，进一步培育了普冰143、普冰9946和普冰701等小麦新品种，并在陕西等地区推广种植。在田间种植条件下，小片段易位系表现千粒重高和穗粒数多，表明冰草6P染色体插入片段上存在千粒重和穗粒数的正调控因子，有助于改良小麦穗部性状和产量[89-90]。

3.3 品质性状改良易位系培育

研究[91-92]发现，在高大山羊草1SlL染色体上存在2个高分子量麦谷蛋白亚基编码基因1Sx2.3和1Sy16，以及1个S-型低分子量麦谷蛋白亚基编码基因，小麦-高大山羊草1Sl（1B）代换系的面包品质显著优于背景亲本中国春。本实验室以小麦-高大山羊草1Sl（1B）代换系为父本与小麦品种Westonia进行杂交，对授粉15d的F1杂种幼胚进行组织培养，对产生的愈伤组织进行2次继代培养，然后对愈伤组织进行分化培养，获得了再生植株。利用小麦和高大山羊草第一部分同源群染色体特异的分子标记对再生植株自交后代进行分子检测，在TC2-TC4群体中获得了小麦-高大山羊草1SlS·1BL纯合易位系和1SlL·1BS纯合易位系，易位系诱导效率为0.1%～0.3%。利用SDS-PAGE技术对1SlL·1BS易位系中HMW-GS组成进行鉴定，结果表明1SlL染色体上的1Sx2.3和1Sy16基因均正常表达。对1Sl/1B两类易位系进行的面包品质分析发现，1SlL·1BS易位系的面团强度和面筋强度弱于对照，而1SlS·1BL易位系的面团强度和面筋强度要强于对照[93]。

花青素是一类水溶性色素，具有抗炎、抗突变、抗癌和抗菌等活性，对人类饮食和健康非常重要。大多数小麦品种籽粒中几乎不含有花青素，但偃麦草属、山羊草属、黑麦属和大麦属部分品种的籽粒中含有较高的花青素。例如，在小麦-长穗偃麦草4Ag（4D）二体代换系蓝58中发现其糊粉层呈现蓝色。由于长穗偃麦草4Ag染色体携带较差的农艺性状基因，利用射线处理蓝58，获得了具有4AgL染色体不同片段的T4DS-4DL·4AgL易位系材料。进一步利用细胞遗传学和分子标记分析技术，将蓝粒基因定位在4AgL染色体上FL 0.75～0.89区间[94]。

3.4 生长发育相关易位系培育

小麦是一年生作物，需要周而复始的种植，不仅增加了机械作业，消耗了大量人力，而且造成了环境污染和土壤流失。培育多年生小麦来解决这些问题一直是小麦育种家的愿望。研究发现，长穗偃麦草（Thinopyrumelongatum，2n=2x=14，EE）具有多年生丛生特性，与小麦有密切的亲缘关系。利用长穗偃麦草作父本与小麦杂交，经多代回交后获得了一套含有长穗偃麦草1E-7E染色体的二体附加系，进一步检测发现，中国春-长穗偃麦草4E附加系的再生能力强，认为长穗偃麦草4ES染色体上含有多年生基因[95]。可望获得涉及长穗偃麦草4ES染色体或携带多年生基因的小片段的易位系，培育多年生小麦品种，以便在生产中应用。

另外，小麦成熟期经常遇到降雨连绵的天气和潮湿的环境，如果收获不及时，很容易造成小麦穗发芽的问题。穗发芽严重影响小麦产量和品质，导致产量降低、加工品质变劣、不耐储藏和出苗率下降。鉴定发现，大麦2H染色体上存在编码α-淀粉酶抑制剂的Isa基因。将小麦-大麦2H（2A）代换系与小麦杂交，对杂种幼胚诱导的愈伤组织进行3次继代培养促进染色体结构变异，然后分化再生植株，进一步利用分子标记和染色体原位杂交从再生植株SC4-SC5后代中筛选到了T2AS·2HL易位系，为培育抗穗发芽小麦品种奠定了基础[96]。本实验室利用小麦-大麦2H代换系与小麦-中间偃麦草2Ai代换系杂交，利用染色体特异标记对杂种F2-F4植株进行筛选，结合染色体原位杂交鉴定，创制了异源三属第二部分同源群双代换聚合体[97]。目前正在利用组织培养无性系变异途径诱导异源三属第二部分同源群染色体结构变异，拟进一步培育兼抗穗发芽和黄矮病的易位系。

目前，山羊草属中的多个杀配子基因在小麦遗传育种研究中得以利用，其中，2C染色体上的杀配子基因的应用最为广泛。利用中国春-卵穗山羊草2C染色体二体附加系诱导小麦与中间偃麦草、冰草染色体间发生易位，培育了小麦与这些近缘植物的易位系[98]，为小麦染色体工程育种提供了重要桥梁材料。另外，卵穗山羊草含有抗白粉病、叶锈病、条锈病和秆锈病等基因，还具有高蛋白特性，可用于改良小麦营养品质；离果山羊草含有抗白粉病、叶锈病和条锈病等基因，其3C染色体上含有控制不育性状的基因，对培育小麦不育系具有利用价值。

3.5 抗旱性状改良易位系培育

干旱是制约小麦生产的主要非生物胁迫条件，培育抗旱节水小麦品种是近年来小麦育种的主要目标之一。小麦近缘种属中蕴藏着丰富的抗旱基因资源。研究表明，野生二粒小麦含有抗旱相关的基因[99]。从野生二粒小麦中先后获得了干旱诱导的膜蛋白（transmembrane protein inducible by TNF-α，TMPIT）编码基因TMPIT1[100]、干旱相应转录因子（drought-responsive element，DRE）编码基因DRE[101]以及干旱和渗透胁迫响应基因TdAtg8[102]。利用小麦与长穗偃麦草杂交培育的小偃6号和小偃22等多个易位系骨干亲本，以及衍生小麦品种西农509、西农979和西农9871等优良品种均具有较好的抗旱性[28]。对小麦-黑麦附加系进行的抗旱性鉴定结果表明，黑麦的3R、5R和7R染色体上可能存在与抗旱性相关的基因[103]。小麦-黑麦T1BL·1RS易位系与非T1BL·1RS易位系小麦品种相比，根系生物量显著增加，抗旱性显著增强[104]。利用小麦与冰草远缘杂交培育的易位系小麦品种普冰143和普冰9946等表现为抗旱性强，产量高，适合在旱地种植[105]。

4 外源基因的检测及特点

小麦近缘种属染色体片段导入小麦基因组后，需要对其进行准确鉴定，分析外源染色体片段在小麦遗传背景中的遗传状态，评估其遗传效应，为在小麦遗传改良中的有效利用奠定基础。因此，采用合适的生物学技术或分子生物学技术准确鉴定来自外源野生物种的目标基因引起了科学家的高度重视。目前，鉴定外源染色体片段的方法主要包括原位杂交（insituhybridization，ISH）、分子标记、形态学标记、细胞学标记和生化标记等，其中，原位杂交和分子标记的利用最为普遍。

原位杂交检测法是利用荧光标记将DNA标记成DNA探针，去捕获生物体内能够与之结合的靶标染色体或DNA片段，进而显示出杂交信号的检测技术。目前，原位杂交技术广泛应用于检测物种之间的亲缘关系和进化关系，以及鉴定易位系材料、代换系材料和附加系材料。原位杂交又细分为基因组原位杂交（genomicinsituhybridization，GISH）和荧光原位杂交（fluorescenceinsituhybridization，FISH）。基因组原位杂交主要利用外源物种的基因组DNA作为探针，检测小麦遗传背景中外源靶标染色体或DNA片段，如鉴定了T4DL·4VS易位系[106]，小麦-冰草1P易位系、2P易位系和6P易位系[107-109]，小麦-簇毛麦T6VS·6AL易位系[41]，小麦-高大山羊草T1BL·1SlS易位系[93]等。荧光原位杂交主要利用荧光标记的DNA片段为探针，与细胞中的靶标染色体或目标DNA片段特异性结合，通过其产生的荧光信号判断外源染色体片段的存在及位置[110]。荧光原位杂交技术所使用的探针类型大多是一些重复序列，不同于基因组原位杂交技术。来源于粗山羊草的重复序列As1[111]能够特异鉴定小麦中的所有D组染色体，来源于大麦的重复序列HvG39[112]和来自黑麦的重复序列c119.2[113]能够区分所有的B组染色体。利用荧光原位杂交技术还可以准确鉴定通过转基因手段转入小麦中的外源基因。

原位杂交技术识别外源染色体非常直观，但不适用于确定小麦和其外源种属易位系中易位片段的准确位置，特别是确定通过辐射诱导获得的小片段易位系的染色体定位，针对外源染色体开发，均匀分布的分子标记是行之有效的方法。分子标记对于同种生物体来说，是一段可以遗传的并且可以检测到的DNA序列；对于不同种生物来说，是能够反映出不同种生物间差异的一段特异性DNA序列。利用分子标记对小麦基因组中的外源DNA片段进行鉴定，操作步骤简单，不受环境以及基因型的影响。通过开发小麦近缘种属的特异分子标记，可以快速准确且有效地鉴定小麦基因组中的外源染色体片段。转录组测序可以快速获得大量的基因表达序列，在分子标记开发方面的应用越来越多，SSR、SNP和EST-PCR标记是利用转录组数据开发最多的3类标记，目前，利用转录组测序技术已经开发了大麦和簇毛麦等近缘种属染色体区段特异的分子标记[114]。代程等[115]利用冰草转录组数据，开发了130个可以鉴定小麦背景下6P染色体的特异标记。陈士强等[116]利用SLAF-seq技术，分别开发了20个长穗偃麦草1E和7E染色体特异的分子标记。Li等[117]利用簇毛麦#4的转录组数据，开发了25个6V#4S特异的分子标记，部分标记可以用来区分小麦遗传背景中的簇毛麦6V#2S和6V#4S染色体。Liu等[77]利用高大山羊草的转录组数据，开发了134个高大山羊草各个染色体臂特异的分子标记，并鉴定出了3个小麦-高大山羊草T1BL·1SlS易位系。转录组测序开发的分子标记具有多态率高、特异性强和成本低等特点，丰富了开发植物染色体特异分子标记的技术方法。

5 存在问题和展望

利用染色体工程技术和转基因技术都可以将外源种属中的优良基因引入到小麦基因组中。通过染色体工程技术获得的易位系材料可以直接应用于小麦育种和生产，不需要安全性评价的环节。但染色体工程培育的材料中外源DNA片段太大，在导入优良基因的同时也导入了小麦改良不必要的基因，并缺失了小麦生长发育所需要的基因。所以，获得含有目标基因的臂间易位系后，需要用物理辐射或ph1b突变体继续对易位系进行改良，创制小片段易位系或只有目标基因发生交换的重组个体。例如，Chen等[41]利用γ射线处理小麦-簇毛麦T6AL·6VS易位系，获得了小片段渐渗系92R089等，其白粉病抗性与T6AL·6VS易位系相同，但农艺性状显著改进；Zhang等[89]利用γ射线处理小麦冰草Ti1AS-6PL-1AS·1AL易位系，其存在千粒重和穗粒数的正调控基因，对小麦产量育种有重大作用。利用ph1b突变体可以诱导易位染色体上外源染色体片段与其部分同源染色体片段的配对，将目标基因交换到小麦染色体上。但ph1b突变体与易位系杂交后，合子细胞中仍然存在来自易位系的Ph1基因，ph1b突变体的作用不能充分发挥，具有部分同源关系的染色体臂的配对机会降低。Bhullar等[118]通过构建分离群体，克隆了小麦Ph1位点的Ph1（C-Ph1）基因，利用VIGS和转基因技术证明C-Ph1基因瞬时和稳定沉默后显著促进了部分同源染色体配对。Rey等[119]利用RNA-seq分析EMS突变体库，鉴定到小麦Ph1位点的ZIP4基因与部分同源染色体配对有关，认为ZIP4基因就是Ph1基因。故此，利用CRISPR/Cas9技术编辑易位系中的C-Ph1基因或ZIP4基因，获得易位系ph1或zip4突变体，然后用易位系ph1或zip4突变体与ph1b突变体杂交，在后代中选择仅含有目标基因的植株，将具有很好的应用前景[118-119]。

最近，本实验室利用细胞工程技术将高大山羊草1SlL携带的高分子量麦谷蛋白亚基编码基因1Sx2.3和1Sy16以T1SlL·1BS染色体易位方式转入小麦，同时利用转基因技术将1Sx2.3基因转入小麦。通过品质分析发现，转基因材料的面包加工品质优于易位系材料（资料待发表），原因是转基因材料除了含有1Sx2.3基因外，仍然含有小麦1BL上的2个高分子量麦谷蛋白亚基编码基因，籽粒蛋白中高分子量麦谷蛋白亚基数量增加，而易位系材料虽然含有1Sx2.3和1Sy16基因，但丢失了小麦1BL上的2个高分子量麦谷蛋白亚基编码基因，籽粒蛋白中高分子量麦谷蛋白亚基数量没有增加。由此可见，转基因方式比易位系方式在改良小麦性状方面具有一定优势。然而，采用转基因方式的前提条件是精细定位并克隆到近缘种属中的目标基因，但近缘种属中的绝大多数目标基因还没有被克隆，还需要加强这方面的工作。另外，转基因小麦材料的应用需要严格的安全性评价，需要从转基因小麦中剔除编码抗生素和除草剂抗性的选择标记基因，培育无筛选标记和多余载体骨架序列的转基因植株[120]。

近年来，借助组织培养、ph1b突变体、辐射诱变处理和杀配子等技术已经将小麦近缘种属中的一些优良基因引渗到了小麦染色体上，拓宽了小麦改良的遗传基础，并培育了部分具有高产、优质和抗病等性状的小麦品种。尤其重要的是，在长穗偃麦草7E染色体上鉴定并克隆了抗赤霉病新基因Fhb7，已经培育了农艺性状优良的小片段易位系，正在用于小麦抗赤霉病育种工作[80]，将改善我国长江中下游小麦被镰刀菌毒素污染的现状。业已发现长穗偃麦草4ES染色体上存在与多年生性状有关的再生基因，将携带该基因的染色体片段易位到小麦中，或精细定位并克隆该基因后转入小麦，培育多年生小麦品种，将有效缓解我国农业用水短缺的问题。

到目前为止，虽然限制种间杂交和外源基因导入的主要障碍已经克服，但导入优良外源基因的同时导入了遗传连锁的有害性状（即连锁阻力），并导致产量性状的降低，这仍然是需要解决的关键问题。根据初步统计，从近缘种属引入到小麦的基因以抗病基因居多，约占小麦基因库中收录的抗叶锈基因、白粉病基因和条锈病基因数量的50%以上，由于病原菌的不断变异，引入小麦中的部分抗病基因已经对一些致病小种丧失了抗性，需要从近缘种属中继续挖掘新的抗病基因，同时，将多个抗性基因聚合，培育对病害混合小种具有抗性的超级抗病品种。近年来，小麦热胁迫、全蚀病和纹枯病等问题越来越突出，新病害（如茎基腐病）不断出现，也需要从近缘种属中寻找耐热、抗全蚀病、抗纹枯病和抗茎基腐病等基因，利用染色体工程和基因工程等途径转入小麦，以解决小麦生产中的老问题，适应小麦育种的新需求。